5G通信技術在城市軌道交通中的應用分析

黃欣榮

摘要：本文從5G通信技術特點及5G通信技術與其他技術的對比分析，綜合考慮城市軌道交通的需求分析，從5G通信技術發展趨勢、技術特點和產業發展趨勢進行了分析，提出了可行性建議。

關鍵詞：城市軌道交通;5G技術;無線通信;車地通信

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）08-0017-01

1 5G的特點及優勢

5G正成為未來通信新的技術發展趨勢，其具有一些新的技術特點。

（1）5G技術更加注重用戶體驗，同時不斷推動技術創新。總體來說，網絡流量、傳輸時延、虛擬現實、3D應用、交互式游戲等成為評價5G技術應用效果的重要技術指標。（2）同傳統移動通信技術有所不同，5G不再將點對點的信道傳輸、物理層作為核心技術，而是從多點傳輸、多用戶、多天線、多小區組網作為重點技術，在技術架構上尋求功能提升和創新突破，力求帶給用戶不同尋常的通信體驗。（3）在5G網絡中將會使用更多的高頻段頻譜資源，但是高頻段無線電波傳輸能力較弱，無線與有線相結合的信號傳輸網絡將會廣泛應用。（4）5G無線網絡具備“軟”配置能力，這決定了其未來將會成為主流發展趨勢。通信運營商可根據客戶需求變化靈活調整網絡資源，最大程度壓縮網絡運營成本。

2 城市軌道交通無線通信的需求

當前，國內地鐵CBTC已全面普及2.4GHz頻段，利用WLAN技術構建車地無線網絡。由于CBTC車地無線通信系統負責列車操控信息傳輸，直接影響到列車運營安全和穩定，對系統穩定性提出了較高的技術要求，因此，通信系統必須要具備獨立傳輸通道和可靠冗余通信信道。

最近幾年來，廣州、深圳、上海、寧波等地已將LTE技術承載CBTC系統安裝到地鐵上。出于安全考慮，列車控制系統也建立了基于獨立的LTE網絡。

除了城市軌道交通CBTC、列車調度、PIS、CCTV等交通通信系統外，車輛運營監測數據傳輸也需要通過無線車地實現。隨著無線通信技術、自動化和智能化技術的普及，以及大數據技術的應用，地鐵移動辦公、車輛大數據采集及軌旁監測數據采集對通信技術提出了越來越高的要求。不同運營環境對無線通道技術提出了不同的要求，有的要求通信穩定、安全，有的要求大容量信息傳輸，有的對功耗提出了要求，總體來說，良好環境適應力、安全穩定、大帶寬的車地傳輸網絡是最主流的技術選擇。

根據我國軌道交通未來發展趨勢和方向，以及交通車地數據傳輸技術的發展，考慮到未來新增業務發展，交通車地傳輸對帶寬要求不斷提高。

隨著城市軌道交通技術不斷發展，對車地傳輸帶寬的需求日益增加，技術從出現到成熟，需要從城市軌道交通需求出發，綜合考慮安全性、穩定性以及經濟性等因素，對技術進行修改和完善。

從需求角度來看，不管是CBTC、無線列調、PIS，還是運營中數據采集，通常都包括四類信息：安全數據、非安全數據、語音和圖像。信息傳輸隊可靠性、優先級數據內容需求較小，但非安全數據和圖像等需求相對較大，且對帶寬提出了更高要求。因此，可以利用LTE-M帶寬技術，在既定的安全策略和質量架構下，利用無線電收斂方式來滿足不同通信業務需求。

3 5G在城市軌道交通中的應用分析

3.1 5G的關鍵技術

5G技術主要特點是大規模、多對多無線通信傳輸，這種通信技術傳輸頻率較高，需要建立完善的通信網絡體系。

3.2 5G在城市軌道交通的應用發展趨勢分析

3.2.1 技術發展趨勢分析

從未來無線通信技術發展趨勢來看，車地無線傳輸主要采用最新、最成熟的無線技術，同時結合軌道交通通信需求，注重穩定性、耐用性等技術指標。鐵路及城市軌道交通通信技術經歷了幾個發展階段，最早是450MHz 模擬專用信道技術，再到基于2G技術的GSM-R和TETRA，最后發展到了基于4G的LTE技術，其中3G技術也得到了廣泛應用。城市軌道交通無線通信技術是在巨大需求推動下發展的，這不是最新的通信技術。因此，從過去技術發展歷程來看，5G在城市軌道交通中應用會面臨著諸多影響因素。

3.2.2 技術特點分析

5G作為一種最新通信技術，其大大拓寬了帶寬容量，但具體到軌道交通應用環境下將會受到諸多限制。大規模MIMO 技術應用，需要同時安裝上百個天線陣子單元作為硬件支撐，這需要巨大的天線放置空間，但是不管是在列車上還是軌道上，大尺寸天線都無法應用。

CBTC主要采用獨立的車地傳輸模式，為了加強列車運營安全管理，不同車輛的車地傳輸網絡要保持相對獨立。5G面向深度通信應用客戶，通過非物理虛擬隔離技術來加強安全保障，以滿足不同服務層次需求，但是能否達到CBTC應用要求還有待深入探討。

目前，國際上對5G頻點并沒有統一標準，通常采用毫米波段。但是這個頻段的無線信號傳播需要借助低功耗設備實現，隧道內通信距離介于100～200米，這意味著需要安裝大量接入設備，這對軌道交通空間和通信設備維護帶來了較大的難度。波導管技術利用微波頻段技術傳輸信號，具有良好的傳播特性，但是建設成本相對較高，實際應用面臨著諸多困難。

3.2.3 產業發展趨勢分析

無線通信系統研發投入較大、研發周期較長，產業鏈較長。2011年，神華鐵路線啟動了基于4G的LTE專網技術應用測試，前后一共耗時5年多，最后才得以在軌道交通上應用。如果要回溯到4G民用開始時間，這個投研周期更長。因此，如果沒有雄厚的技術實力和配套的技術標準支持，即使再先進的技術也不能在軌道交通中廣泛應用。一些非主流通信技術，如Wi-max、HRC、DVB-T 等，雖然技術更加先進，但是由于受到諸多客觀因素影響，最終無法普及推廣。因此，當前地鐵車地傳輸技術以LTE和Wi-Fi為主，這比較符合實際情況。

4 結語

通過全面分析5G發展趨勢和過程，可以看出在城市軌道交通上應用5G技術還需要進行充分性、必要性及可實施性論證;特別是在穩定性、安全性、無線頻譜帶寬及隧道通信應用特點等方面，需要進行專門系統的研究。同5G技術相比，LTE制式的無線通信技術有明顯優勢，更加適合城市軌道交通通信環境。如果能夠將TETRA和Wi-Fi等通信技術融合起來，科學規劃和布局，可以提高城市軌道交通通信資源，這比較符合當前的城市軌道交通發展需要。

參考文獻

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Analysis of Application Prospect of 5G Communication Technology in Rail Transit

HUANG Xin-rong

（Nanjing Vocational College of Information Technology，Jiangsu Nanjing? 210023）

Abstract：Based on the comparative analysis of 5G technology characteristics and 5G technology and other technologies， this paper comprehensively considers the demand analysis of urban rail transit， analyses the development trend of 5G technology， technical characteristics and industrial development trend， and puts forward feasible suggestions.

Key words：Urban rail transit;5G technology;Wireless communication;Vehicle to ground communication